專利名稱：回收水式內(nèi)燃機(jī)凈化排氣系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無公害或環(huán)保型內(nèi)燃機(jī)凈化排氣系統(tǒng)。
根據(jù)法國SEMT12VPC-4型柴油機(jī)熱平衡圖，有效功的熱量占42.5％，冷卻水及潤滑油的熱損失占27％，廢氣損失熱為40％，其中又分為兩部分，一部分被廢氣渦輪增壓器所回收，占10.5％，另外29.5％自渦輪后的排氣中流入大氣。而廢氣渦輪吸收的10.5％熱量中，又有約大部分(即10％熱量)在空氣冷卻器的冷卻水中損失掉，只有0.5％的熱量隨進(jìn)缸空氣又回到氣缸中。
隨著社會的進(jìn)步，對降低汽車的排氣污染要求越來越高。在柴油機(jī)中曾試驗噴水冷卻降低燃燒最高溫度從而降低有毒氣體的排放量(參見劉穎主編，柴油機(jī)原理，華中理工大學(xué)出版社，1984年3月第1版，第65頁)。噴水冷卻有多種方式，即進(jìn)氣管噴水，進(jìn)氣管加水蒸汽，燃油用機(jī)械攪拌滲水，用起聲波或化學(xué)乳化劑將燃油與水乳化，以及將水直接噴入燃澆室。由于水吸收熱量和稀釋燃油密度，兩者都可降低高峰燃燒溫度，從而降低有毒氣體的生成量。在直接噴射式柴油機(jī)上，當(dāng)水與燃油比等于1時，HC+NOx排量可降50％，而功率僅下降4％。在分隔式燃燒室柴油機(jī)上，使用噴水冷卻最大可能使NOx降低70％。噴水冷卻有待解決的問題是氣缸等部件可能生銹，用水量較大，以及氣缸泄漏的含水蒸汽燃?xì)馐褂偷讱しe水，水有可能滲入潤滑油使?jié)櫥到y(tǒng)沾污。在二十世紀(jì)六十年代初，我國對柴油滲水進(jìn)行過大量的研究和實踐，當(dāng)時的目的在于節(jié)約燃料。噴水冷卻可明顯降低燃燒噪音和排氣煙度。過去把柴油滲水稱為以水代油，這種說法不對。水不能代油，但柴油滲水降低燃料消耗被過去的實踐所證實。所以，柴油滲水是內(nèi)燃機(jī)既降低排放又能節(jié)約燃料的方法。為此，本發(fā)明人在1999年4月8日提出了一項發(fā)明專利技術(shù)，稱為柴油與防銹水在噴嘴密封錐滲混二次噴水雙液噴射系統(tǒng)(申請?zhí)枮?9103773.1)，隨后又在1999年5月11日提出了第二項發(fā)明專利技術(shù)，稱為曲軸與多級廢氣渦輪軸連接傳動噴射防銹水內(nèi)冷內(nèi)燃機(jī)(申請?zhí)枮?9104493.2)。如果對接觸含水蒸汽燃?xì)獾膬?nèi)燃機(jī)零部件表面進(jìn)行防銹鍍層處理或用防銹材料(如不銹鋼或鋁合金)制造，噴射防銹水可改為噴水。為解決油底殼積水滲入潤滑油使?jié)櫥到y(tǒng)沾污問題，可以在潤滑系統(tǒng)機(jī)油泵進(jìn)口前安裝旋流分離器把水從機(jī)油中清除掉。關(guān)于旋流分離器結(jié)構(gòu)原理下文有說明，這是從排氣系統(tǒng)中回收水的關(guān)鍵設(shè)備。缸內(nèi)噴水冷卻柴油機(jī)的兩次噴水是，第一次噴水是柴油滲水噴射，噴油噴水始點(diǎn)時刻相同，終點(diǎn)時刻噴水比噴油稍為遲后，目的是清除噴嘴壓力室的積油。第二次噴水在燃燒結(jié)束后進(jìn)行。第二次噴水的目的是降低內(nèi)燃機(jī)排氣溫度，增加膨脹功，降低缸外循環(huán)冷卻水及潤滑油的熱損失(此項熱損失在不噴水柴油機(jī)中占27％)。汽油機(jī)與柴油機(jī)在兩次噴水方面的主要區(qū)別是第一次噴水的目的與時間不同。汽油機(jī)第一次噴水的目的是防止發(fā)生爆震燃燒，把汽油機(jī)壓縮比從10提高到12～16。汽油機(jī)第一次噴水時間是在壓縮沖程壓縮比達(dá)到5～10的適當(dāng)時刻，具體由試驗決定。過去增壓汽油機(jī)曾采用在進(jìn)氣管噴水防止發(fā)生爆震(參見機(jī)械工程手冊電機(jī)工程手冊編輯委員會編，機(jī)械工程手冊，第二版，動力設(shè)備卷，機(jī)械工業(yè)出版社，1997年7月第2版，第4-173頁)。汽油機(jī)與柴油機(jī)第二次噴水的目的與時間相同。上述兩項發(fā)明只考慮內(nèi)燃機(jī)實施噴水內(nèi)冷，并沒有考慮用缸內(nèi)噴水冷卻后取消缸外循環(huán)水冷。加大第二次噴水量可以取消缸外循環(huán)水冷，但原設(shè)計的柴油機(jī)雙液噴射系統(tǒng)存在第二次噴射射程小于第一次噴射射程的缺點(diǎn)，必須加以改進(jìn)。液化石油氣發(fā)動機(jī)也可以按汽油機(jī)方式實施缸內(nèi)噴水冷卻。燃油供給系統(tǒng)采用汽油缸外(在進(jìn)氣門處)噴射的汽油機(jī)也可設(shè)計凸輪驅(qū)動汽油滲水噴射裝置。
內(nèi)燃機(jī)用缸內(nèi)噴水冷卻代替缸外循環(huán)水冷后，缸內(nèi)噴水不能循環(huán)使用，需要大量用水，造成水蒸汽大量排放，增加水蒸汽對大氣的污染。因此，內(nèi)燃機(jī)用缸內(nèi)噴水冷卻代替缸外循環(huán)水冷后，必須解決噴入氣缸內(nèi)的冷卻水大部分能回收使用。采用缸內(nèi)噴水冷卻后，噴入氣缸的冷卻水可以添加有毒氣體洗滌劑，通過化學(xué)反應(yīng)消除排氣中的有毒氣體。另外，由于內(nèi)燃機(jī)排氣中含有大量水蒸汽，從含水蒸汽廢氣回收水的流程中，水蒸汽冷凝可以帶走廢氣中煙塵微粒，使排氣煙度大大下降。所以，回收水循環(huán)使用的缸內(nèi)噴水冷卻系統(tǒng)可從根本上清除排氣中有毒氣體和煙塵雜質(zhì)含量，也是一個凈化排氣系統(tǒng)?；厥账h(huán)使用的缸內(nèi)噴水冷卻系統(tǒng)實質(zhì)上是水洗排氣冷卻凈化系統(tǒng)，是一個一舉兩得的系統(tǒng)。對于單缸內(nèi)燃機(jī)，例如手扶拖拉機(jī)柴油機(jī)和摩托車汽油機(jī)，原采用的冷卻系統(tǒng)非常簡單，要改為回收水的缸內(nèi)噴水冷卻系統(tǒng)會大大增加內(nèi)燃機(jī)造價，可仍保留原有的缸外冷卻系統(tǒng)，缸內(nèi)噴水冷卻不回收水循環(huán)使用，適當(dāng)減少第二次噴水限制水蒸汽的大量排放。對于船用及機(jī)車用柴油機(jī)，排放水蒸汽遠(yuǎn)離居民生活區(qū)，不必回收噴入氣缸內(nèi)的冷卻水，冷卻方式可只采用缸內(nèi)噴水冷卻或缸內(nèi)噴水冷卻與缸外循環(huán)水冷同時使用。
本發(fā)明的目的為避免曲軸與多級廢氣渦輪軸連接傳動噴射防銹水內(nèi)冷內(nèi)燃機(jī)上述不足之處以及解決現(xiàn)有內(nèi)燃機(jī)的排氣污染問題而提供一種回收水式內(nèi)燃機(jī)凈化排氣系統(tǒng)。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的，對于采用缸內(nèi)噴水冷卻內(nèi)燃機(jī)，從內(nèi)燃機(jī)或動力渦輪(廢氣渦輪)排出含水蒸汽廢氣經(jīng)冷卻處理后(溫度降至60℃-80℃)，用旋流分離器回收廢氣中的冷凝水經(jīng)凈化冷卻處理后循環(huán)使用。廢氣冷卻有兩種方式，一種是在鼓風(fēng)機(jī)的進(jìn)氣口安裝吸氣式冷熱氣體滲混器(或摻水吸氣式冷熱氣體滲混器)，使吸入大氣的空氣與含水蒸汽的廢氣混合降溫。另一種用增壓柴油機(jī)空氣冷卻器結(jié)構(gòu)一樣的水冷式廢氣冷卻器把含水蒸汽廢氣冷卻。對于采用缸外循環(huán)水冷或風(fēng)冷內(nèi)燃機(jī)，不含水蒸汽廢氣采用在鼓風(fēng)機(jī)的進(jìn)氣口安裝摻水吸氣式冷熱氣體滲混器，使吸入大氣的空氣、霧化冷卻水與廢氣混合降溫，摻水應(yīng)添加內(nèi)燃機(jī)廢氣有毒氣體洗滌劑。對于缸內(nèi)噴水冷卻內(nèi)燃機(jī)，冷卻水應(yīng)添加防銹劑和有毒氣體洗滌劑。由于采用上述方案，使內(nèi)燃機(jī)凈化排氣系統(tǒng)不僅大大地減少水的消耗量，而且能高標(biāo)準(zhǔn)解決排氣污染問題。
以下結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。


圖1是本發(fā)明回收水式內(nèi)燃機(jī)凈化排氣系統(tǒng)第一實施例流程圖。
圖2是本發(fā)明回收水式內(nèi)燃機(jī)凈化排氣系統(tǒng)第二實施例流程圖。
圖3是本發(fā)明回收水式內(nèi)燃機(jī)凈化排氣系統(tǒng)第三實施例流程圖。
圖4是本發(fā)明回收水式內(nèi)燃機(jī)凈化排氣系統(tǒng)第四實施例流程圖。
圖5是缸內(nèi)噴水冷卻柴油機(jī)油水噴射組合泵結(jié)構(gòu)原理剖視圖。
圖中1.噴水泵或油水噴射泵；2.噴水器或油水噴射器；3.內(nèi)燃機(jī)；4.動力渦輪；5.三角或齒形皮帶；6.鼓風(fēng)機(jī)；7.吸氣式冷熱氣體滲混器；8.吸氣喉管；9.廢氣進(jìn)氣渦型殼；10.連通孔；11.帶切向進(jìn)氣孔的進(jìn)氣管；12.旋流分離器；13.中心排氣錐管；14.連通旋流分離器底部集水池的浮子室；15.浮子控制電磁開關(guān)閥或輸送泵；16.凈化處理水箱；17.水箱；18.內(nèi)燃機(jī)飛輪；19.水泵；20.風(fēng)扇；21.散熱器；22.水冷式廢氣冷卻器；23.摻水吸氣式冷熱氣體滲混器；24.周邊有噴水孔的中央空心導(dǎo)流錐；25.燃燒后噴水泵柱塞；26.噴油摻水噴射泵階梯柱塞；27.O型密封圈；28.噴油摻水噴射泵下段柱塞套；29.噴油摻水噴射泵上段柱塞套；A階梯柱塞泵油段柱塞；B階梯柱塞泵水段柱塞。
在圖1中，增加虛線部分為第一實施例有動力渦輪的系統(tǒng)流程圖，此時內(nèi)燃機(jī)(3)排氣先經(jīng)過動力渦輪(4)然后輸送到吸氣式冷熱氣體滲混器(7)。第一實施例無動力渦輪(4)的系統(tǒng)流程圖沒有圖1中虛線部分。動力渦輪(4)若用兩級或兩級以上，第一級為徑流式或輻軸流式渦輪，其余各級為軸流式渦輪。在汽輪機(jī)中這種形式稱為透平。皮帶(5)由傳動比要求決定是否用三角皮帶或齒形皮帶，齒形皮帶最高傳動比可達(dá)10。如果用齒形皮帶可用起動齒圈作為皮帶輪。皮帶(5)可用三齒輪傳動機(jī)構(gòu)代替，三齒輪傳動機(jī)構(gòu)亦為一級齒輪傳動機(jī)構(gòu)。吸氣式冷熱氣體滲混器(7)排氣口與鼓風(fēng)機(jī)(6)進(jìn)氣口直接連接為一體，旋流分離器(12)及回收水凈化處理系統(tǒng)可遠(yuǎn)離內(nèi)燃機(jī)安裝。吸氣式冷熱氣體滲混器(7)的結(jié)構(gòu)原理是在吸氣喉管(8)外圍設(shè)置廢氣渦型殼(9)，兩者之間用連通孔(10)連通。這種結(jié)構(gòu)原理類似汽油機(jī)化油器結(jié)構(gòu)原理。旋流分離器結(jié)構(gòu)原理是，立式安裝的旋流分離器(12)上部插入帶切向進(jìn)氣孔的進(jìn)氣管(11)，下部中央設(shè)置中心排氣錐管(13)，中心排氣錐管(13)外圍為集水池。經(jīng)冷卻處理降溫至60℃-80℃的含冷凝水廢氣從進(jìn)氣管(11)的切向進(jìn)氣孔進(jìn)入旋流分離器(12)的環(huán)形旋流室進(jìn)行氣水分離，冷凝水順旋流分離器(12)內(nèi)壁面旋流下降至底部集水池，氣體從中心排氣錐管(13)排出。鼓風(fēng)機(jī)(6)是吸氣式冷熱氣體滲混器(7)和旋流分離器(12)的動力。吸氣喉管(8)和帶切向進(jìn)氣孔的進(jìn)氣管(11)是氣體流動的節(jié)流元件，沒有鼓風(fēng)機(jī)(6)很難實現(xiàn)廢氣冷卻和高速旋流運(yùn)動。浮子控制電磁開關(guān)閥或輸送泵(15)的作用是控制旋流分離器(12)底部集水池的水位保持在一定范圍內(nèi)變動。第一實施例凈化排氣系統(tǒng)流程是這樣，內(nèi)燃機(jī)(3)采用缸內(nèi)噴水冷卻，從內(nèi)燃機(jī)(3)或動力渦輪(4)排出的含水蒸汽廢氣經(jīng)吸氣式冷熱氣體滲混器(7)和鼓風(fēng)機(jī)(6)冷卻，然后進(jìn)入旋流分離器(12)分離冷凝水后從中心排氣錐管(13)排出。從旋流分離器(12)回收的冷凝水經(jīng)浮子室(14)、浮子控制電磁開關(guān)閥或輸送泵(15)、凈化處理水箱(16)、水箱(17)、水泵(19)、散熱器(21)、噴水泵或雙液噴射泵(1)及噴水器或雙液噴射器(2)后噴入內(nèi)燃機(jī)(3)氣缸。
在圖2中，水冷式廢氣冷卻器(22)的結(jié)構(gòu)原理與增壓柴油機(jī)空氣冷卻器結(jié)構(gòu)原理相同。第二實施例與第一實施例不同之處是用水冷式廢氣冷卻器(22)代替吸氣式冷熱氣體滲混器(7)和鼓風(fēng)機(jī)(6)的作用。循環(huán)水冷包括兩部分，一部分為水冷式廢氣冷卻器(22)的循環(huán)水冷，另一部分循環(huán)水冷是噴入氣缸的冷卻水回收使用的循環(huán)水冷。
在圖3中，第三實施例與第一實施例不同之處是用摻水吸氣式冷熱氣體滲混器(23)代替吸氣式冷熱氣體滲混器(7)，使冷卻效果更好，減少吸氣量，減小鼓風(fēng)機(jī)(6)和旋流分離器(12)的外形尺寸。吸氣式冷熱氣體滲混器(7)實施摻水方法是在吸氣喉管中央空心導(dǎo)流錐(24)周邊設(shè)噴水孔，把冷卻水引入中央空心導(dǎo)流錐(24)的內(nèi)部空腔，類似噴霧器原理或汽油機(jī)化油器設(shè)計。
在圖4中，內(nèi)燃機(jī)(3)采用常規(guī)缸外循環(huán)水冷或風(fēng)冷，不向缸內(nèi)噴水，內(nèi)燃機(jī)(3)或渦輪(4)排氣不含水蒸汽。在凈化排氣系統(tǒng)中僅在摻水(添加有毒氣體洗滌劑)吸氣式冷熱氣體滲混器(23)向廢氣噴水，主要降低排氣煙廢，降低有毒氣體排放決定有毒氣體洗滌劑的性能。由于第四實施例制造成本最低，不必更改內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)，所以應(yīng)用前景看好。
本發(fā)明內(nèi)燃機(jī)凈化排氣系統(tǒng)要有一定外形尺寸，在汽車中安裝時要把旋流分離器(12)、凈化處理水箱(16)、水箱(17)和水冷式廢氣冷卻器(22)等遠(yuǎn)離汽車發(fā)動機(jī)安裝。水冷式廢氣冷卻器(22)可安裝在車廂頂部(對于轎車或客車)或駕駛室頂部(對于貨車)。旋流分離器(12)、凈化處理水箱(16)及水箱(17)等安裝在車廂尾部(對于轎車或客車)或駕駛室背部(對于貨車)。一般汽車排氣均位于車廂尾部。
在圖5中，缸內(nèi)噴水冷卻柴油機(jī)油水噴射組合泵由燃燒后噴水泵柱塞(25)和噴油摻水噴射泵階梯柱塞(26)組成，兩者分別設(shè)凸輪軸驅(qū)動。兩凸輪軸之間用齒輪傳動聯(lián)動。與階梯柱塞(26)匹配的柱塞套分下段柱塞套(28)和上段柱塞套(29)。下段柱塞套(28)設(shè)O型密封圈(27)，分隔上進(jìn)水腔和下進(jìn)油腔。階梯柱塞泵油段柱塞(A)為大柱塞，階梯柱塞泵水段柱塞(B)為小柱塞。噴油始點(diǎn)時刻與噴水始點(diǎn)時刻相同，噴油終點(diǎn)時刻比噴水終點(diǎn)時刻稍為提前，目的是消除噴嘴壓力室積油，使第二次噴水不含油。噴油噴水的配合規(guī)律由凸輪設(shè)計及柱塞斜槽設(shè)計決定。MAN公司為實現(xiàn)兩級噴油，曾采用過階梯柱塞兩級串聯(lián)噴射方案。本發(fā)明采用階梯柱塞一級并聯(lián)噴射方案。
權(quán)利要求
1.一種無公害或環(huán)保型的回收水式內(nèi)燃機(jī)凈化排氣系統(tǒng)，其特征是從內(nèi)燃機(jī)(3)或渦輪(4)排出的含水蒸汽廢氣經(jīng)冷卻處理后或不含水蒸汽廢氣經(jīng)摻水(添加有毒氣體洗滌劑)吸氣式冷熱氣體滲混器(23)冷卻處理后，用旋流分離器(12)回收廢氣中的冷凝水凈化冷卻再使用。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的回收水式內(nèi)燃機(jī)凈化排氣系統(tǒng)，其特征是立式安裝的旋流分離器(12)上部插入帶切向進(jìn)氣孔的進(jìn)氣管(11)，下部中央設(shè)置中心排氣錐管(13)，排氣錐管(13)外圍是集水池。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的回收水式內(nèi)燃機(jī)凈化排氣系統(tǒng)，其特征是含水蒸汽廢氣冷卻處理方式有在鼓風(fēng)機(jī)(6)進(jìn)氣口安裝吸氣式冷熱氣體滲混器(7)、利用循環(huán)水為介質(zhì)間接冷卻的水冷式廢氣冷卻器(22)及在鼓風(fēng)機(jī)(6)進(jìn)氣口安裝摻水吸氣式冷熱氣體滲混器(23)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的回收水式內(nèi)燃機(jī)凈化排氣系統(tǒng)，其特征是不含水蒸汽廢氣冷卻處理采用在鼓風(fēng)機(jī)(6)進(jìn)氣口安裝摻水(添加有毒氣體洗滌劑)吸氣式冷熱氣體滲混器(23)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的回收水式內(nèi)燃機(jī)凈化排氣系統(tǒng)，其特征是吸氣式冷熱氣體滲混器(7)是在吸氣喉管(8)外圍設(shè)置廢氣進(jìn)氣渦型殼(9)，兩者之間用連通孔(10)連通。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的回收水式內(nèi)燃機(jī)凈化排氣系統(tǒng)，其特征是摻水吸氣式冷熱氣體滲混器(23)結(jié)構(gòu)由吸氣式冷熱氣體滲混器(7)的吸氣喉管(8)增設(shè)周邊有噴水孔的中央空心導(dǎo)流錐(24)而成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的回收水式內(nèi)燃機(jī)凈化排氣系統(tǒng)，其特征是鼓風(fēng)機(jī)(6)和動力渦輪(4)用三角或齒形皮帶(5)與內(nèi)燃機(jī)飛輪(18)連接傳動，以及向內(nèi)燃機(jī)(3)氣缸內(nèi)噴水添加防銹劑與有毒氣體洗滌劑。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的回收水式內(nèi)燃機(jī)凈化排氣系統(tǒng)，其特征是缸內(nèi)噴水冷卻柴油機(jī)油水噴射組合泵由燃燒后噴水泵柱塞(25)和噴油摻水噴射泵階梯柱塞(26)組成，兩者分別用凸輪軸驅(qū)動。
全文摘要
一種無公害或環(huán)保型內(nèi)燃機(jī)凈化排氣系統(tǒng),是從內(nèi)燃機(jī)或渦輪排出的含水蒸汽廢汽或不含水蒸汽廢氣經(jīng)冷卻處理后或摻水(噴霧器原理)冷卻處理后,用旋流分離器回收廢氣中的冷凝水經(jīng)凈化冷卻再使用。含水蒸汽廢氣冷卻用吸氣式冷熱氣體滲混器或水冷式廢氣冷卻器(即空氣冷卻器)。不含水蒸汽廢氣冷卻用摻水(添加有毒氣體洗滌劑)吸氣式冷熱氣體滲混器。內(nèi)燃機(jī)氣缸內(nèi)噴水冷卻添加防銹劑和有毒氣體洗滌劑?；厥账絻?nèi)燃機(jī)凈化排氣系統(tǒng)既節(jié)約用水又能高標(biāo)準(zhǔn)解決排氣污染。
文檔編號F02M25/00GK1259622SQ0010211
公開日2000年7月12日 申請日期2000年1月30日 優(yōu)先權(quán)日2000年1月30日
發(fā)明者梁劍鋒, 梁剛, 梁劍銳 申請人:梁劍鋒